Autor: Lukas Bijikli, manažer produktového portfolia, integrované převodové pohony, výzkum a vývoj CO2 kompresních a tepelných čerpadel, Siemens Energy.
Integrovaný převodový kompresor (IGC) je již mnoho let technologií volby pro zařízení na dělení vzduchu. To je dáno především jeho vysokou účinností, která přímo vede ke snížení nákladů na kyslík, dusík a inertní plyn. Rostoucí zaměření na dekarbonizaci však klade na integrované převodové kompresory nové nároky, zejména pokud jde o efektivitu a regulační flexibilitu. Kapitálové výdaje jsou i nadále důležitým faktorem pro provozovatele zařízení, zejména v malých a středních podnicích.
V posledních několika letech společnost Siemens Energy zahájila několik výzkumných a vývojových (R&D) projektů zaměřených na rozšíření možností IGC s cílem uspokojit měnící se potřeby trhu s odlučováním vzduchu. Tento článek zdůrazňuje některá konkrétní konstrukční vylepšení, která jsme provedli, a pojednává o tom, jak tyto změny mohou pomoci splnit cíle našich zákazníků v oblasti snižování nákladů a emisí uhlíku.
Většina dnešních jednotek pro dělení vzduchu je vybavena dvěma kompresory: hlavním vzduchovým kompresorem (MAC) a přepouštěcím vzduchovým kompresorem (BAC). Hlavní vzduchový kompresor obvykle stlačuje celý proud vzduchu z atmosférického tlaku na přibližně 6 barů. Část tohoto proudu je poté v BAC dále stlačena na tlak až 60 barů.
V závislosti na zdroji energie je kompresor obvykle poháněn parní turbínou nebo elektromotorem. Při použití parní turbíny jsou oba kompresory poháněny stejnou turbínou přes dvojité konce hřídele. V klasickém schématu je mezi parní turbínou a HAC instalováno mezilehlé kolo (obr. 1).
V systémech poháněných elektricky i parními turbínami je účinnost kompresoru silným prvkem pro dekarbonizaci, protože přímo ovlivňuje spotřebu energie jednotky. To je obzvláště důležité pro víceúčelové generátory (MGP) poháněné parními turbínami, protože většina tepla pro výrobu páry se získává v kotlích na fosilní paliva.
Přestože elektromotory představují ekologičtější alternativu k pohonům parních turbín, často je potřeba větší flexibility řízení. Mnoho moderních zařízení na dělení vzduchu, která se dnes staví, je připojeno k rozvodné síti a má vysokou míru využití obnovitelných zdrojů energie. Například v Austrálii se plánuje výstavba několika zelených zařízení na výrobu amoniaku, která budou využívat jednotky na dělení vzduchu (ASU) k výrobě dusíku pro syntézu amoniaku a očekává se, že budou přijímat elektřinu z blízkých větrných a solárních elektráren. V těchto elektrárnách je regulační flexibilita zásadní pro kompenzaci přirozených výkyvů ve výrobě energie.
Společnost Siemens Energy vyvinula první IGC (dříve známý jako VK) v roce 1948. Dnes společnost vyrábí po celém světě více než 2 300 jednotek, z nichž mnohé jsou navrženy pro aplikace s průtoky přesahujícími 400 000 m3/h. Naše moderní vícestupňové kompresory (MGP) mají průtok až 1,2 milionu metrů krychlových za hodinu v jedné budově. Patří mezi ně bezpřevodové verze konzolových kompresorů s tlakovými poměry až 2,5 nebo vyššími v jednostupňových verzích a tlakovými poměry až 6 v sériových verzích.
V posledních letech jsme provedli několik významných konstrukčních vylepšení, která jsou shrnuta níže, abychom splnili rostoucí požadavky na efektivitu mezigeneračního plynu (IGC), regulační flexibilitu a kapitálové náklady.
Variabilní účinnost řady oběžných kol, která se obvykle používají v prvním stupni MAC, se zvyšuje změnou geometrie lopatek. S tímto novým oběžným kolem lze dosáhnout variabilní účinnosti až 89 % v kombinaci s konvenčními difuzory LS a přes 90 % v kombinaci s novou generací hybridních difuzorů.
Oběžné kolo má navíc Machovo číslo vyšší než 1,3, což prvnímu stupni poskytuje vyšší hustotu výkonu a kompresní poměr. To také snižuje výkon, který musí přenášet ozubená kola v třístupňových systémech MAC, což umožňuje použití ozubených kol s menším průměrem a převodovek s přímým pohonem v prvních stupních.
Ve srovnání s tradičním lamelovým difuzorem LS plné délky má hybridní difuzor nové generace zvýšenou účinnost stupně o 2,5 % a regulační faktor 3 %. Tohoto zvýšení je dosaženo smícháním lopatek (tj. lopatky jsou rozděleny na sekce plné a částečné výšky). V této konfiguraci
Průtok mezi oběžným kolem a difuzorem je snížen o část výšky lopatek, která je umístěna blíže k oběžnému kolu než lopatky konvenčního difuzoru LS. Stejně jako u konvenčního difuzoru LS jsou náběžné hrany lopatek po celé délce stejně vzdálené od oběžného kola, aby se zabránilo interakci mezi oběžným kolem a difuzorem, která by mohla lopatky poškodit.
Částečné zvětšení výšky lopatek blíže k oběžnému kolu také zlepšuje směr proudění v blízkosti pulzační zóny. Protože náběžná hrana lopatkové sekce po celé délce zůstává stejného průměru jako u konvenčního difuzoru LS, škrticí potrubí zůstává neovlivněno, což umožňuje širší rozsah použití a ladění.
Vstřikování vody spočívá v vstřikování kapiček vody do proudu vzduchu v sací trubici. Kapičky se odpařují a absorbují teplo z proudu procesního plynu, čímž snižují vstupní teplotu do kompresního stupně. To má za následek snížení izoentropických energetických požadavků a zvýšení účinnosti o více než 1 %.
Kalení hřídele převodovky umožňuje zvýšit přípustné plošné napětí, což umožňuje zmenšit šířku zubu. Tím se snižují mechanické ztráty v převodovce až o 25 %, což vede ke zvýšení celkové účinnosti až o 0,5 %. Navíc lze snížit náklady na hlavní kompresor až o 1 %, protože ve velké převodovce se používá méně kovu.
Toto oběžné kolo může pracovat s koeficientem průtoku (φ) až 0,25 a poskytuje o 6 % vyšší dopravní tlak než oběžná kola s úhlem otáčení 65 stupňů. Koeficient průtoku navíc dosahuje 0,25 a v provedení s dvojitým průtokem stroje IGC dosahuje objemový průtok 1,2 milionu m3/h nebo dokonce 2,4 milionu m3/h.
Vyšší hodnota phi umožňuje použití oběžného kola s menším průměrem při stejném objemovém průtoku, čímž se sníží náklady na hlavní kompresor až o 4 %. Průměr oběžného kola prvního stupně lze ještě více zmenšit.
Vyššího dopravního tlaku je dosaženo úhlem vychýlení oběžného kola 75°, což zvyšuje složku obvodové rychlosti na výstupu a tím dle Eulerovy rovnice zajišťuje vyšší dopravní tlak.
Ve srovnání s vysokorychlostními a vysoce účinnými oběžnými koly je účinnost oběžného kola mírně snížena v důsledku vyšších ztrát ve spirále. To lze kompenzovat použitím středně velkého šneka. I bez těchto spirál však lze dosáhnout proměnné účinnosti až 87 % při Machově čísle 1,0 a součiniteli proudění 0,24.
Menší spirální těleso umožňuje vyhnout se kolizím s jinými spirálními tělesy při zmenšení průměru velkého ozubeného kola. Operátoři mohou ušetřit náklady přechodem z 6pólového motoru na 4pólový motor s vyššími otáčkami (1000 ot/min až 1500 ot/min), aniž by překročili maximální povolené otáčky ozubeného kola. Navíc to může snížit náklady na materiál u spirálových a velkých ozubených kol.
Celkově může hlavní kompresor ušetřit až 2 % kapitálových nákladů a motor může také ušetřit 2 % kapitálových nákladů. Vzhledem k tomu, že kompaktní spirální kompresory jsou poněkud méně účinné, rozhodnutí o jejich použití do značné míry závisí na prioritách klienta (náklady vs. účinnost) a musí být posuzováno projekt zvlášť.
Pro zvýšení možností regulace lze IGV instalovat před více etapami. To je v ostrém kontrastu s předchozími projekty IGC, které zahrnovaly IGV pouze do první fáze.
V dřívějších iteracích IGC zůstával vírový koeficient (tj. úhel druhého IGV dělený úhlem prvního IGV1) konstantní bez ohledu na to, zda byl tok vpřed (úhel > 0°, snížení tlaku) nebo vzad vířící (úhel < 0°, tlak se zvyšuje). To je nevýhodné, protože znaménko úhlu se mění mezi kladnými a zápornými víry.
Nová konfigurace umožňuje použití dvou různých poměrů vírů, když je stroj v režimu víru vpřed a vzad, čímž se zvyšuje regulační rozsah o 4 % při zachování konstantní účinnosti.
Začleněním difuzoru LS pro oběžné kolo běžně používané v BAC lze zvýšit účinnost vícestupňového systému na 89 %. To v kombinaci s dalšími vylepšeními účinnosti snižuje počet stupňů BAC a zároveň zachovává celkovou účinnost soustavy. Snížení počtu stupňů eliminuje potřebu mezichladiče, souvisejícího potrubí procesního plynu a součástí rotoru a statoru, což vede k úspoře nákladů až 10 %. Navíc je v mnoha případech možné kombinovat hlavní vzduchový kompresor a pomocný kompresor v jednom stroji.
Jak již bylo zmíněno, mezi parní turbínou a klimatizačním systémem je obvykle vyžadováno mezilehlé ozubené kolo. Díky nové konstrukci IGC od společnosti Siemens Energy lze toto vložené ozubené kolo integrovat do převodovky přidáním vloženého hřídele mezi hřídel pastorku a velké ozubené kolo (4 ozubená kola). To může snížit celkové náklady na linku (hlavní kompresor plus pomocná zařízení) až o 4 %.
Čtyřpastorkové převodovky jsou navíc efektivnější alternativou ke kompaktním spirálovým motorům pro přepínání z 6pólových na 4pólové motory ve velkých hlavních vzduchových kompresorech (pokud existuje možnost kolize spirály nebo pokud se sníží maximální povolené otáčky pastorku).
Jejich používání se také stává běžnějším na několika trzích důležitých pro průmyslovou dekarbonizaci, včetně tepelných čerpadel a komprese páry, jakož i komprese CO2 při vývoji technologií zachycování, využití a ukládání uhlíku (CCUS).
Společnost Siemens Energy má dlouhou historii v oblasti návrhu a provozu mezigeneračních plynových cyklón (IGC). Jak dokazuje výše uvedené (a další) výzkumné a vývojové úsilí, jsme odhodláni tyto stroje neustále inovovat, abychom splňovali specifické požadavky aplikací a uspokojovali rostoucí požadavky trhu na nižší náklady, vyšší efektivitu a větší udržitelnost. KT2
Čas zveřejnění: 28. dubna 2024